翼型和軸流泵的不穩(wěn)定空化及其尺度效應的數(shù)值研究.pdf

1、在流體機械中空化一般是有害的，非定常空化對水力部件造成的非定常載荷會導致葉片、泵軸等部件的疲勞損壞甚至斷裂。所以加強對空化的研究，深入了解空化產生的機理、演化的規(guī)律，對流體機械設計過程中合理規(guī)避空化危險，主動或者被動地減輕空化的危害具有有重要意義。
　　運用傳統(tǒng)理論對水泵的揚程、流量、功率進行換算時，有很高的準確性和適用性，但是在對其空化性能進行換算時卻出現(xiàn)不可忽視的誤差，而且誤差隨著尺寸差別的增大而增大。為此，前人作了一些經驗性

2、的修正，但是這個現(xiàn)象的成因卻鮮有報道。本文受此啟發(fā)，希望探尋空化相似換算誤差的原因。
　　本文對流體力學中的流動相似理論進行了回顧，分析了粘性不可壓縮流動動力相似所要滿足的條件，在幾何相似和速度相似的基礎上，得出了流動動力相似的充分條件和必要條件。討論了動力相似準則數(shù)的適用情況，討論了水翼空化流動相似應該滿足的條件。
　　使用相同的網格劃分策略，對幾何相似的4個NACA66翼型模型（尺寸分別為試驗模型的1.25、1.0、0.

3、75、0.5倍）的計算域進行了網格劃分。采用分離渦湍流模型和Zwart模型，基于雷諾相似和空化數(shù)相等，對這4個翼型模型進行了空化流場的模擬。通過將模型1.0的模擬結果與Leroux的試驗結果進行對比，驗證了湍流模型、空化模型以及數(shù)值方法的可行性和準確性。結合空化圖像以及翼型背面的壓力脈動，說明了繞翼型空化的演化過程。對模型1.0的回射流頭部和空穴尾部的坐標進行了統(tǒng)計，解釋了回射流對空化演化的重要作用。對壓力場和速度場的分析，揭示了逆壓梯

4、度是回射流發(fā)展的動力，隨時間變化的壓力場結構使得回射流的發(fā)展呈現(xiàn)出一定的脈動特性。
　　統(tǒng)計了4個模型水翼的斯特勞哈爾數(shù)，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)和空化數(shù)相等的基礎上進行數(shù)值模擬，斯特勞哈爾數(shù)也基本相當。將4個水翼的壓力脈動模擬值進行無量綱化后，發(fā)現(xiàn)它們的吻合程度很高;對比4個水翼的空化圖像，也發(fā)現(xiàn)有較高的一致性;這說明4個水翼擁有相同的空化發(fā)展階段。在統(tǒng)計了各個模型的空泡體積分數(shù)的演化之后，發(fā)現(xiàn)模型的幾何尺寸越大，空泡的體積分數(shù)越大。在對翼

5、型背面不同位置的無量綱速度進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，在空穴生長階段，各個模型的無量綱速度吻合程度很高。通過對中截面上的軸向無量綱速度進行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著模型尺寸的增大，主流區(qū)逐漸被擠占，充分發(fā)展的云空化對主流產生了影響，大約在7/14T～9/14T之間發(fā)生。通過分析無量綱壓力場和速度矢量場，觀察到大尺寸模型中的回射流發(fā)展比小模型的更快，但是大尺寸模型的殘余空泡滯留在翼型頭部的無量綱時間更長。
　　明確了幾何相似、運動相似、歐拉相似是泵相似

6、理論的基礎，再一次對雷諾數(shù)在內部流動中的重要性進行了闡述，雷諾數(shù)的作用不僅在邊界層中顯著，而且是主流流態(tài)的重要指標。當空化流場符合雷諾相似和空化數(shù)相等時，不同尺寸水翼的模擬結果有很強的相似性。如果對不同的模型，使用歐拉相似、空化數(shù)相等原則來設置模擬條件，則會導致空化演化出現(xiàn)非常大的差異，小模型上的空化無法分離脫落。在無量綱長度和無量綱時間上，較小的幾何邊界都會對回射流的發(fā)展存在抑制作用。
　　推導了基于已有的泵理論、同時符合雷諾相